CN104868767A - 逆变装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种逆变装置，包含直流转直流转换器、直流转交流转换器、初级侧控制电路及次级侧控制电路。直流转直流转换器用以输出第一直流电源及第二直流电源。直流转交流转换器耦接于直流转直流转换器，用以接收第一直流电源。初级侧控制电路耦接于直流转直流转换器，用以控制直流转直流转换器之运作。次级侧控制电路耦接于直流转直流转换器及直流转交流转换器，用以接收第二直流电源，并依据第二直流电源来控制直流转交流转换器之运作。本发明所提供的逆变装置不仅可提供高效率的辅助电源予初级侧/次级侧的电路，并可提供过压保护机制以避免直流母线电压于初启动的期间出现过压的情形，故可广泛应用于各种电源转换架构之中。

Description

逆变装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及逆变装置，尤其涉及一种初级侧驱动电路与次级侧驱动电路分别由各自的直流转直流转换器来驱动的逆变装置及其控制方法。
背景技术
传统的逆变装置采用返驰式直流转直流转换器来做为初级侧驱动电路与次级侧驱动电路共享的辅助电源，其中该初级侧驱动电路用来驱动直流转直流转换器，而该次级侧驱动电路用来驱动直流转交流转换器。然而，由于返驰式直流转直流转换器的转换效率较差(例如，变压器所导致的高能量损耗)，故而无法提供高效率的辅助电源予逆变装置。
因此，需要一种创新的逆变装置及其控制方法，以解决逆变装置之性能受限于返驰式直流转直流转换器之低转换效率的问题。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种初级侧驱动电路与次级侧驱动电路分别由各自的辅助电源来驱动的逆变装置，以解决逆变装置之性能受限于返驰式直流转直流转换器之低转换效率的问题。
本发明的另一目的在于提供一种初级侧驱动电路与次级侧驱动电路分别由各自的辅助电源来驱动的逆变装置控制方法，以解决逆变装置之性能受限于返驰式直流转直流转换器之低转换效率的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种逆变装置，包含：
一直流转直流转换器，用以输出一第一直流电源及一第二直流电源；
一直流转交流转换器，耦接于所述直流转直流转换器，用以接收所述第一直流电源；
一初级侧控制电路，耦接于所述直流转直流转换器，用以控制所述直流转直流转换器的运作；以及
一次级侧控制电路，耦接于所述直流转直流转换器及所述直流转交流转换器，用以接收所述第二直流电源，并依据所述第二直流电源来控制所述直流转交流转换器的运作。
较佳地，所述逆变装置还包含：
一防护电路，耦接于所述直流转直流转换器，用来检测所述第一直流电源，并依据所检测的所述第一直流电源产生一防护信号至所述初级侧控制电路；
其中所述初级侧控制电路还依据所述防护信号来控制所述直流转直流转换器的运作。
较佳地，当所述防护电路检测出所述第一直流电源的能量准位大于一预定准位时，所述初级侧控制电路会依据所述防护信号来关闭所述直流转直流转换器。
较佳地，当所述防护电路检测出所述第一直流电源的能量准位小于一预定准位时，所述初级侧控制电路会依据所述防护信号来开启所述直流转直流转换器。
较佳地，所述防护电路包含：
一过压保护电路，用以比较所述第一直流电源的一电压准位与一预定准位来产生一比较结果；以及
一控制器，耦接于所述过压保护电路，用以依据所述比较结果来产生所述防护信号。
较佳地，所述初级侧控制电路包含：
一初级侧辅助电源，用以提供一初级侧辅助电源信号；以及
一初级侧驱动电路，耦接于所述初级侧辅助电源与所述直流转直流转换器之间，用以接收所述初级侧辅助电源信号及所述防护信号，并依据所述初级侧辅助电源信号及所述防护信号驱动所述直流转直流转换器。
较佳地，所述次级侧控制电路包含：
一次级侧辅助电源，用以接收所述第二直流电源来产生一次级侧辅助电源信号；以及
一次级侧驱动电路，耦接于所述次级侧辅助电源与直流转交流转换器之间，用以依据所述次级侧辅助电源信号来驱动所述直流转交流转换器。
较佳地，所述直流转直流转换器包含：
一变压器，具有一一次侧及一二次侧，所述变压器对来自所述一次侧的一供给电源进行电压转换，其中所述二次侧包含一第一绕组及一第二绕组，所述第一直流电源自所述第一绕组输出，以及所述第二直流电源自所述第二绕组输出。
为了实现本发明的另一目的，本发明提供了一种逆变装置的控制方法，所述逆变装置包含一直流转直流转换器及一直流转交流转换器，所述直流转直流转换器的一输出侧耦接于所述直流转交流转换器的一输入侧，所述控制方法包含：
自所述直流转直流转换器的所述输出侧输出一第一直流电源及一第二直流电源，其中所述第一直流电源输出至所述直流转交流转换器的所述输入侧；以及
接收所述第二直流电源，并依据所述第二直流电源来控制所述直流转交流转换器的运作。
较佳地，所述控制方法还包含：
检测所述第一直流电源，并依据所检测的所述第一直流电源产生一防护信号；以及
依据所述防护信号来控制所述直流转直流转换器的运作。
较佳地，当检测出所述第一直流电源的一能量准位大于一预定准位时，依据所述防护信号来控制所述直流转直流转换器的运作的步骤包含：
依据所述防护信号来关闭所述直流转直流转换器。
较佳地，当检测出所述第一直流电源的一能量准位小于一预定准位时，依据所述防护信号来控制所述直流转直流转换器的运作的步骤包含：
依据所述防护信号来开启所述直流转直流转换器。
较佳地，检测所述第一直流电源并依据所检测的所述第一直流电源产生所述防护信号的步骤包含：
比较所述第一直流电源的一电压准位与一预定准位来产生一比较结果；以及
依据所述比较结果来产生所述防护信号。
较佳地，所述直流转直流转换器包含一变压器，所述变压器具有一一次侧及一二次侧，所述变压器对来自所述一次侧的一供给电源进行电压转换，以及自所述直流转直流转换器的所述输出侧输出所述第一直流电源及所述第二直流电源的步骤包含：
自所述二次侧的一第一绕组输出所述第一直流电源；以及
自所述二次侧的相异于所述第一绕组的一第二绕组输出所述第二直流电源。
与现有技术相比，本发明所提供的逆变装置及其控制方法不仅可提供高效率的辅助电源予初级侧/次级侧的电路，并可提供过压保护机制以避免直流母线电压于初启动的期间出现过压的情形，故可广泛应用于各种电源转换架构之中。
附图说明
图1为本发明逆变装置的一实施例的示意图。
图2为图1所示的直流转直流转换器的局部电路的一具体实现范例的示意图。
图3为图1所示的逆变装置的一具体实现范例的示意图。
图4为图3所示的防护电路的一具体实现范例的示意图。
图5为图3所示的防护电路的另一具体实现范例的示意图。
图6为图5所示的侦测电路的电路示意图。
【符号说明】
100、300：逆变装置
102：太阳能电池
104：电网
110：直流转直流转换器
120：直流转交流转换器
130、330：初级侧控制电路
140、340：次级侧控制电路
332：初级侧辅助电源
336：初级侧驱动电路
342：次级侧辅助电源
346：次级侧驱动电路
350、550：防护电路
452、552：过压保护电路
453：分压电路
454：光耦合电路
455、555：侦测电路
456：控制器
R1、R2、R3：电阻
M1、M2：晶体管
D1：光二极管
D2：二极管
VPV：输入电源
VBUS、VAUX：直流电源
VAC：交流电源
SDO、SAO：输出侧
SAI：输入侧
CBUS：直流母线电容
SC1、SC2：控制信号
TX：变压器
L11、L21、L22：绕组
SP：防护信号
SA1：初级侧辅助电源信号
SA2：次级侧辅助电源信号
VREF：预定准位
VS1、VS2、VM、VD：电压
CP、CR：比较器
SW：开关
N1、N2、N3：连接端
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
本发明所提供的逆变装置具有彼此分开设置的初级侧辅助电源与次级侧辅助电源，并提供过压保护机制以防止初级侧与次级侧之间出现过压的情形，以取代传统逆变装置之中初级侧与次级侧共享同一返驰式直流转直流转换器作为辅助电源的架构。为了便于理解本发明的技术特征，以下是以光伏逆变器(Photovoltaic inverter)来作为本发明所提供的逆变装置的具体实现范例。然而，本发明所提供的逆变装置及其相关的控制方法并不局限于光伏逆变器的范畴。进一步的说明如下。
请参阅图1，其为本发明逆变装置的一实施例的示意图。逆变装置100耦接于一太阳能电池(Photovoltaic cell，PV cell)102与一电网(grid)104之间，并可包含(但不限于)一直流转直流转换器(direct current to direct current converter，DC/DC converter)110、一直流转交流转换器(direct current to alternating currentconverter，DC/AC converter)120、一初级侧控制电路130及一次级侧控制电路140。直流转直流转换器110可接收太阳能电池102所提供的输入电源VPV，并依据输入电源VPV于输出侧SDO输出一直流电源VBUS(例如，直流母线电压；直流母线电容CBUS的跨压)及一直流电源VAUX。直流转直流转换器110的输出侧SDO耦接于直流转交流转换器120输入侧SAI，其中直流转交流转换器120可于输入侧SAI接收直流电源VBUS，并对直流电源VBUS进行转换以于输出侧SAO产生一交流电源VAC。初级侧控制电路130耦接于直流转直流转换器110，用以产生一控制信号SC1以控制直流转直流转换器110的运作，其中初级侧控制电路130所需的电源可由太阳能电池102来供应。次级侧控制电路140耦接于直流转直流转换器110及直流转交流转换器120，用以接收直流电源VAUX，并可依据直流电源VAUX来产生一控制信号SC2以控制直流转交流转换器130的运作。
于此实施例中(但本发明不限于此)，直流转直流转换器110具体可选择为一LLC谐振式转换器(LLC resonant converter)，以利用其软性切换的特性而提高转换效率并且降低电磁干扰，而直流转交流转换器120也可称作直流转交流变流器(DC/AC inverter)。另外，于一具体实现范例中，直流转直流转换器110可利用内部既有的变压器来同时提供直流电源VBUS与直流电源VAUX。请参阅图2，其为图1所示的直流转直流转换器110的局部电路的一具体实现范例的示意图。于此具体实现范例中，直流转直流转换器110可包含一变压器TX，其可具有一一次侧及一二次侧。该一次侧可包含一绕组L11，而该二次侧可包含复数个绕组L21与L22。变压器TX可对来自该一次侧的一供给电源(例如，输入电源VPV)进行电压转换，以于该二次侧的绕组L21输出直流电源VBUS，以及于该二次侧的绕组L22输出直流电源VAUX。
请注意，以上产生直流电源VBUS与直流电源VAUX的实现方式仅供说明之需，并非用来作为本发明之限制。举例来说，直流转直流转换器110也可以利用分压电路来产生直流电源VBUS的一分压以作为直流电源VAUX。只要直流转直流转换器110可对输入电源VPV进行转换以于输出侧SDO产生直流电源VBUS与直流电源VAUX，设计上相关的变化与修饰均遵循本发明之精神。
具体实现上，初级侧控制电路130/次级侧控制电路140可包含一直流转直流转换器以作为初级侧/次级侧的辅助电源，其中该直流转直流转换器可采用高效率的降压转换器(Buck converter)来实现，以取代效率较低的返驰式直流转直流转换器。请参阅图3，其为图1所示的逆变装置100之一具体实现范例的示意图。逆变装置300可包含图1所示的直流转直流转换器110与直流转交流转换器120、一初级侧控制电路330及一次级侧控制电路340，其中图1所示的初级侧控制电路130与次级侧控制电路140可分别由初级侧控制电路330与次级侧控制电路340来实现。
初级侧控制电路330可包含一初级侧辅助电源332及一初级侧驱动电路336，而次级侧控制电路340可包含一次级侧辅助电源342及一次级侧驱动电路346。初级侧辅助电源332可提供一初级侧辅助电源信号SA1予初级侧驱动电路336，其中初级侧辅助电源332所需的电源可由太阳能电池102来提供。初级侧驱动电路336耦接于初级侧辅助电源332与直流转直流转换器110之间，用以至少依据初级侧辅助电源信号SA1来驱动直流转直流转换器110。次级侧辅助电源342可接收直流电源VAUX来产生一次级侧辅助电源信号SA2。次级侧驱动电路346耦接于次级侧辅助电源342与直流转交流转换器120之间，用以依据次级侧辅助电源信号SA2来驱动直流转交流转换器120。于此具体实现范例中，初级侧辅助电源332与次级侧辅助电源342中的至少一者可由具有高转换效率的直流转直流转换器(例如，降压转换器)来实现，而无需采用转换效率较低的返驰式电源转换架构。
值得注意的是，本发明所提供的逆变装置另可提供一防护机制以防止次级侧的电路出现过压的情形。举例来说，于图3所示的实施例中，当逆变装置300刚开始启动时，初级侧辅助电源332可依据太阳能电池102所提供的电力来启动初级侧驱动电路336，而初级侧驱动电路336便可使直流转直流转换器110进行输入电源VPV的转换操作，以逐渐提升直流电源VBUS/直流电源VAUX的能量准位(例如，电压准位)。由于电网104频率与振幅的侦测需要一段时间，因此可能会出现直流电源VBUS的能量准位高于一预定准位而次级侧驱动电路346仍然处于关闭的状态。也就是说，在逆变装置300的初启动期间(电网104的频率与振幅的侦测尚未完成)，次级侧驱动电路346无法藉由驱动直流转交流转换器120来控制直流电源VBUS(直流母线电压)的大小，这可能会造成直流电源VBUS出现电压过高的情况。
为了避免上述情况发生而导致逆变装置300内部组件的毁损，逆变装置300还可包含一防护电路350，防护电路350耦接于直流转直流转换器110，并可用来检测直流电源VBUS而依据所检测的直流电源VBUS产生一防护信号SP至初级侧控制电路330。如此一来，初级侧控制电路330便可依据太阳能电池102所提供的电力及防护信号SP来控制直流转直流转换器110的运作。举例来说，防护电路350可将直流电源VBUS的能量准位与一预定准位作比较，并依据比较结果产生防护信号SP来控制直流转直流转换器110的运作。于一具体实现范例中，当防护电路350检测出直流电源VBUS的能量准位大于该预定准位时，初级侧控制电路330可依据防护信号SP来关闭直流转直流转换器110以保护次级侧的电路组件。于另一具体实现范例中，当防护电路350检测出直流电源VBUS的能量准位小于该预定准位时，初级侧控制电路330可依据防护信号SP来开启直流转直流转换器110。于图3所示的实施例中，防护电路350所产生的防护信号SP可由初级侧驱动电路336来接收，初级侧驱动电路336便可依据初级侧辅助电源信号SA1及防护信号SP来驱动直流转直流转换器110。
在防护电路350检测直流电源VBUS的电压准位来产生防护信号SP的情形下，防护电路350可由包含过压保护电路的架构来实现。请参阅图4，其为图3所示的防护电路350的一具体实现范例的示意图。于此具体实现范例中，防护电路350可包含一过压保护电路452及一控制器456。过压保护电路452可比较直流电源VBUS的电压准位与一预定准位VREF来产生一比较结果DR。控制器456耦接于过压保护电路452，用以依据比较结果DR来产生防护信号SP。举例来说(但本发明不限于此)，侦测电路455可将分压电路453所产生的电压VD作比较以产生一侦测结果，光耦合电路454便可依据该侦测结果来产生比较结果DR。当电压VD过高时，即直流电源VBUS的电压准位过高，光耦合电路454会将电压VM耦接于地(亦即，电阻R3接地)，控制器456便可依据比较结果DR(电压VM)来产生防护信号SP，以指示图3所示的初级侧控制电路330关闭直流转直流转换器110。
于图4所示的实施例中，分压电路453可由电阻R1与电阻R2来实现，侦测电路455可由比较器CP与开关SW来实现，以及光耦合电路454可由光二极管D1与晶体管M1来实现，其中电压VS1与电压VS2可分别作为晶体管M1与光二极管D1所需的电压源。比较器CP可比较电压VD及预定准位VREF，其中当电压VD大于预定准位VREF(例如：2.5V)时，即直流电源VBUS的电压准位过高，开关SW会导通，光二极管D1也会随之导通，进而导通晶体管M1以将电压VM耦接于地。
图4所示的防护电路350的电路架构是仅供说明之需，并非用来作为本发明之限制。举例来说，分压电路453、光耦合电路454与侦测电路455中的至少一者可采用其他电路拓朴来实现。请参阅图5，其为图3所示的防护电路之另一具体实现范例的示意图。于此设计变化中，防护电路550的架构是基于图4所示的防护电路350的架构，而两者之间主要的差别在于过压保护电路552所包含的侦测电路555可由一三端可调分流稳压器(Three-terminal AdjustablePrecision Shunt Regulators；AS431)来实现。侦测电路555的复数个连接端N1～N3分别耦接于光耦合电路454、接地端及电压VD，其中侦测电路555的电路细节请参照图6。由于熟习技艺者应可了解图6所示的比较器CR、晶体管M2、二极管D2及预定准位VREF彼此之间的运作细节，且该三端可调分流稳压器的实际运作细节非本发明的重点，仅为本发明的侦测电路的其中一种实施例，因此，进一步的说明在此便不再赘述。
于图4所示的实施例中，过压保护电路452利用分压电路453(由电阻R1与电阻R2来实现)、光耦合电路454(由光二极管D1与晶体管M1来实现；电压VS1为晶体管M1的电压源)及侦测电路455(由比较组件D2与二极管D3来实现)来检测直流电源VBUS，然而，此仅供说明之需，并非用来作为本发明之限制。于一设计变化中，分压电路453、光耦合电路454与侦测电路455中的至少一者可采用其他电路拓朴来实现。于另一设计变化中，也可以直接利用一比较电路来将直流电源VBUS的电压准位与预定准位VMAX进行比较以产生侦测结果DR。另外，图3/图4/图5所示的过压保护机制也可以应用于图1所示的逆变装置100之中。
综上所述，本发明所提供的逆变装置及其控制方法不仅可提供高效率的辅助电源予初级侧/次级侧的电路，并可提供过压保护机制以避免直流母线电压于初启动的期间出现过压的情形，故可广泛应用于各种电源转换架构之中。
以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (14)

1.一种逆变装置，其特征在于，包含：
一直流转直流转换器，用以输出一第一直流电源及一第二直流电源；
一直流转交流转换器，耦接于所述直流转直流转换器，用以接收所述第一直流电源；
一初级侧控制电路，耦接于所述直流转直流转换器，用以控制所述直流转直流转换器的运作；以及
一次级侧控制电路，耦接于所述直流转直流转换器及所述直流转交流转换器，用以接收所述第二直流电源，并依据所述第二直流电源来控制所述直流转交流转换器的运作。
2.根据权利要求1所述的逆变装置，其特征在于，还包含：
一防护电路，耦接于所述直流转直流转换器，用来检测所述第一直流电源，并依据所检测的所述第一直流电源产生一防护信号至所述初级侧控制电路；
其中所述初级侧控制电路还依据所述防护信号来控制所述直流转直流转换器的运作。
3.根据权利要求2所述的逆变装置，其特征在于，当所述防护电路检测出所述第一直流电源的能量准位大于一预定准位时，所述初级侧控制电路会依据所述防护信号来关闭所述直流转直流转换器。
4.根据权利要求2所述的逆变装置，其特征在于，当所述防护电路检测出所述第一直流电源的能量准位小于一预定准位时，所述初级侧控制电路会依据所述防护信号来开启所述直流转直流转换器。
5.根据权利要求2所述的逆变装置，其特征在于，所述防护电路包含：
一过压保护电路，用以比较所述第一直流电源的一电压准位与一预定准位来产生一比较结果；以及
一控制器，耦接于所述过压保护电路，用以依据所述比较结果来产生所述防护信号。
6.根据权利要求2所述的逆变装置，其特征在于，所述初级侧控制电路包含：
一初级侧辅助电源，用以提供一初级侧辅助电源信号；以及
一初级侧驱动电路，耦接于所述初级侧辅助电源与所述直流转直流转换器之间，用以接收所述初级侧辅助电源信号及所述防护信号，并依据所述初级侧辅助电源信号及所述防护信号驱动所述直流转直流转换器。
7.根据权利要求1所述的逆变装置，其特征在于，所述次级侧控制电路包含：
一次级侧辅助电源，用以接收所述第二直流电源来产生一次级侧辅助电源信号；以及
一次级侧驱动电路，耦接于所述次级侧辅助电源与直流转交流转换器之间，用以依据所述次级侧辅助电源信号来驱动所述直流转交流转换器。
8.根据权利要求1所述的逆变装置，其特征在于，所述直流转直流转换器包含：
一变压器，具有一一次侧及一二次侧，所述变压器对来自所述一次侧的一供给电源进行电压转换，其中所述二次侧包含一第一绕组及一第二绕组，所述第一直流电源自所述第一绕组输出，以及所述第二直流电源自所述第二绕组输出。
9.一种逆变装置的控制方法，其特征在于，所述逆变装置包含一直流转直流转换器及一直流转交流转换器，所述直流转直流转换器的一输出侧耦接于所述直流转交流转换器的一输入侧，所述控制方法包含：
自所述直流转直流转换器的所述输出侧输出一第一直流电源及一第二直流电源，其中所述第一直流电源输出至所述直流转交流转换器的所述输入侧；以及
接收所述第二直流电源，并依据所述第二直流电源来控制所述直流转交流转换器的运作。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，还包含：
检测所述第一直流电源，并依据所检测的所述第一直流电源产生一防护信号；以及
依据所述防护信号来控制所述直流转直流转换器的运作。
11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，当检测出所述第一直流电源的一能量准位大于一预定准位时，依据所述防护信号来控制所述直流转直流转换器的运作的步骤包含：
依据所述防护信号来关闭所述直流转直流转换器。
12.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，当检测出所述第一直流电源的一能量准位小于一预定准位时，依据所述防护信号来控制所述直流转直流转换器的运作的步骤包含：
依据所述防护信号来开启所述直流转直流转换器。
13.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，检测所述第一直流电源并依据所检测的所述第一直流电源产生所述防护信号的步骤包含：
比较所述第一直流电源的一电压准位与一预定准位来产生一比较结果；以及
依据所述比较结果来产生所述防护信号。
14.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述直流转直流转换器包含一变压器，所述变压器具有一一次侧及一二次侧，所述变压器对来自所述一次侧的一供给电源进行电压转换，以及自所述直流转直流转换器的所述输出侧输出所述第一直流电源及所述第二直流电源的步骤包含：
自所述二次侧的一第一绕组输出所述第一直流电源；以及
自所述二次侧的相异于所述第一绕组的一第二绕组输出所述第二直流电源。
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